裝配式模塊化箱型建筑綜述

文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 高增俊

1 裝配式模塊化箱型建筑特點(diǎn)與分類

近年來(lái)，國(guó)家大力推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)，建筑業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，但長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展都是建立在對(duì)資源大量消耗的基礎(chǔ)上，磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)在建筑中占比過(guò)高，用資源換取效益，不僅在建造過(guò)程中要耗費(fèi)大量的人力物力，而且還造成環(huán)境污染；與此同時(shí)，我國(guó)的鋼產(chǎn)量長(zhǎng)期位居世界首位，鋼材產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑中占比非常低，且人口老齡化問(wèn)題日益突出，勞動(dòng)力成本日益上升[1]。

因此，在我國(guó)大力推進(jìn)建筑工業(yè)化的背景下，建筑業(yè)過(guò)去粗放的發(fā)展方式已無(wú)法適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前發(fā)展需要。裝配式建筑因其綠色環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的方向。在現(xiàn)有裝配式建筑模式中，裝配式模塊化箱型建筑是其中較為獨(dú)特的一類，同時(shí)也是預(yù)制化和裝配化程度較高的一類裝配式建筑。

1.1 特點(diǎn)

裝配式模塊化箱型建筑又稱為盒子建筑，是一種把單個(gè)房間作為預(yù)制構(gòu)件，每個(gè)盒子單元的外墻板和內(nèi)部裝修均在工廠預(yù)制后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝的一種建筑結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）工廠制造，安拆便捷 裝配式模塊化箱型建筑以單個(gè)房間為基本模塊，工廠制造取代工地建造，制造周期短，安拆便捷，對(duì)場(chǎng)地要求低。

2）整體性好，移動(dòng)便捷 能適應(yīng)公路、鐵路、船舶等現(xiàn)代運(yùn)輸方式。

3）安全穩(wěn)固，抗震防風(fēng) 具有很強(qiáng)的保溫、防風(fēng)、防雪、防火、抗震、抗壓等性能。

4）裝飾性強(qiáng)，組裝靈活 裝配式模塊化箱型建筑外觀及內(nèi)部均可根據(jù)不同風(fēng)格進(jìn)行定制和裝飾，模塊單元也可根據(jù)要求進(jìn)行個(gè)性化組合。

5）堅(jiān)固耐用，循環(huán)經(jīng)濟(jì) 裝配式模塊化箱型建筑最長(zhǎng)使用壽命可達(dá)十年以上，平均使用成本較低，材料可回收再利用，循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

1.2 分類

1.2.1 整體式箱型建筑

整體式箱型建筑是將柱與頂?shù)卓蛲ㄟ^(guò)焊接形成剛性連接，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)不可拆除，具有較好的強(qiáng)度，整箱移動(dòng)性能良好。集裝箱型房屋是最典型和最常見(jiàn)的整體式箱型房屋，標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)集裝箱頂?shù)卓蚍謩e由頂?shù)卓蚪羌?、頂?shù)卓驒M梁、頂?shù)卓騻?cè)梁、頂?shù)卓虼瘟杭绊敯宓装鍑隙?，圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常使用波紋板，波紋板焊接于頂?shù)卓蚝土⒅?，能起到類似于剪力墻的作用（?jiàn)圖1，2）。集裝箱型房屋除可在工廠生產(chǎn)預(yù)制外，也可由廢棄的貨運(yùn)集裝箱改造而成[2-4]。

1.2.2 拆裝式箱式建筑

拆裝式箱型建筑與集裝箱建筑類似，圖3上為拆裝式箱型房屋框架圖，單個(gè)箱體由底框、頂框、角柱和圍護(hù)系統(tǒng)組成，不同之處如下：①拆裝式箱型房屋的結(jié)構(gòu)體系為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)；②角柱與頂?shù)卓蚪羌捎寐菟ㄟB接，并非焊接，如圖3下所示；③外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用彩鋼夾芯板或其他輕質(zhì)高強(qiáng)墻板；④拆裝式箱型房屋自重比集裝箱型房屋更輕，受力也比集裝箱房屋更接近半剛性，圖4為標(biāo)準(zhǔn)拆裝式箱型房屋；⑤由于角柱與頂?shù)卓虿捎寐菟ㄟB接，拆裝式箱型房屋拆卸后，頂框和底框通過(guò)附加的打包立柱連接在一起，四周安裝擋板，形成一個(gè)內(nèi)部可儲(chǔ)存拆裝式箱型房屋自身部品部件的盒體，即打包單元，如圖5所示。多個(gè)打包單體堆疊后，可形成適合運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸單體。與集裝箱型房屋相比，拆裝式箱型房屋運(yùn)輸更加方便。

1.2.3 鋼筋混凝土盒子建筑

鋼筋混凝土盒子建筑整體性和抗震性能較好，每個(gè)盒子構(gòu)件均可一次性澆筑成型，在盒子之間的安裝節(jié)點(diǎn)處都進(jìn)行了滑動(dòng)隔震節(jié)點(diǎn)處理，能有效吸收地震所釋放的能量，1幢6層盒子結(jié)構(gòu)能抗8度及以上的地震。

其類型大致可以分為6種，如圖6所示。圖7為北京中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院有限公司開(kāi)發(fā)的澆筑式盒子模具，盒子在模具中一次性完成墻板及頂板的澆筑，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)集裝箱模塊拆分

圖2 集裝箱型房屋外觀

圖3 拆裝式箱型房屋結(jié)構(gòu)

圖4 拆裝式箱型房屋基本模塊單元

圖5 打包單體

2 裝配式模塊化箱型建筑發(fā)展歷史

2.1 國(guó)外發(fā)展歷史

1901年，原俄國(guó)首次嘗試木制箱型房屋。1967年，在加拿大蒙特利爾舉辦的世界博覽會(huì)上，建筑師Moshe Safdieshe設(shè)計(jì)了名為“Hab ital’67”（67號(hào)棲息地）的鋼筋混凝土盒子建筑，創(chuàng)造出一種前所未有且讓人耳目一新的建筑形象。自此以后，隨著各國(guó)工業(yè)化水平不斷提升，箱型建筑的發(fā)展在世界各國(guó)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，逐漸形成了“標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制裝配式空間模塊”的核心理念，箱型建筑構(gòu)件材料不再局限于單一材料，也可是鋼材、木材、鋁合金、塑料、鋼筋混凝土、玻璃鋼等。與此同時(shí)，隨著世界各國(guó)間海上貿(mào)易的繁榮，廢棄的集裝箱也越來(lái)越多，將這些廢棄集裝箱回爐再煉制成鋼會(huì)產(chǎn)生大量污染，這一現(xiàn)象逐漸地引起建筑師的注意。1983年，美國(guó)的John M DiMartino首次提出模數(shù)化集裝箱建筑體系，該體系將閑置廢舊集裝箱的再利用與建筑設(shè)計(jì)理念巧妙結(jié)合，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍為解決戰(zhàn)俘和軍隊(duì)臨時(shí)住宿與辦公的問(wèn)題，投入大量集裝箱型模塊建筑，這也是集裝箱建筑首次大規(guī)模應(yīng)用[5]。此后，歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其進(jìn)行深入研究，技術(shù)和市場(chǎng)也不斷走向成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸拓展至文旅、商業(yè)、辦公、住宅、酒店等建筑領(lǐng)域。

圖6 鋼筋混凝土盒子類型

圖7 北京新星盒子房廠生產(chǎn)的整澆式盒子模具

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史

在國(guó)外，裝配式模塊化箱型建筑的市場(chǎng)和技術(shù)較為成熟，在我國(guó)則起步較晚。2002年，蔡偉杰、蔡仁洋在國(guó)內(nèi)首次提出以集裝箱和集裝箱部件為構(gòu)成單元的集裝箱建筑，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。2008年汶川地震發(fā)生后，為快速安置災(zāi)民，以深圳中集集團(tuán)和中國(guó)建筑股份有限公司為代表的眾多企業(yè)援建了大批模塊化箱型建筑，這也是模塊化箱型房屋首次在國(guó)內(nèi)救災(zāi)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院從2015年開(kāi)始與中集模塊化建筑投資有限公司一起開(kāi)展合作進(jìn)行了裝配式模塊化箱型建筑的研究，其研究成果成功應(yīng)用于雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時(shí)辦公區(qū)項(xiàng)目。同時(shí)，國(guó)內(nèi)多個(gè)企業(yè)也開(kāi)始涉足模塊化箱型建筑，誕生了大批模塊化箱型房屋建筑企業(yè)，其中有代表性的企業(yè)有中集集團(tuán)旗下的中集模塊化建筑投資有限公司、中建科技旗下的中建集成房屋有限公司、優(yōu)必（中國(guó)）建筑科技有限公司、深圳雅致集成房屋有限公司等，應(yīng)用領(lǐng)域也在國(guó)內(nèi)逐漸拓展至教育、文旅、消防、公寓、商業(yè)等領(lǐng)域，但在技術(shù)和市場(chǎng)層面仍需完善和拓展。

3 裝配式模塊化箱式建筑研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

WILLIAM J D[7]提出箱型建筑的模塊化，并針對(duì)性地研究了其構(gòu)造、建筑和內(nèi)部裝飾。SLAWIK H等[8]從建筑角度出發(fā)，描述了集裝箱房屋的多種組裝方法及相應(yīng)的成本費(fèi)用。SMITH J D[9]對(duì)英國(guó)集裝箱式建筑的保溫性能進(jìn)行研究分析，并建立相應(yīng)的保溫模型。CAO Y等[10]利用有限元軟件分析模擬了多層集裝箱型房屋在風(fēng)荷載作用下的受力性能。VINICIUS A D S等通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)2種手段對(duì)集裝箱式房屋進(jìn)行了抗震分析[11-12]，其中，試驗(yàn)為對(duì)集裝箱式房屋進(jìn)行足尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。PAUL S[13]編著了一本名為《Intermodal Shipping Container Small Steel Structure》的書(shū)籍，該書(shū)描述了集裝箱模塊化和建筑化的方法，從建筑的角度給出模塊化數(shù)據(jù)和改造方法。GIRIUNAS K等[14]通過(guò)有限元模擬研究了集裝箱及其各部件在水平和豎向荷載作用下的受力性能。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

早在1979年，我國(guó)就開(kāi)始了鋼筋混凝土箱型房屋的研究[15]。北京中建建筑科學(xué)研究院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了整體澆筑式盒子建筑[16]，盒子建筑間采用滑動(dòng)抗震安裝節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單且能有效減震。清華大學(xué)也研究開(kāi)發(fā)了可拼裝的鋼混盒子建筑，該盒子建筑可調(diào)節(jié)尺寸，施工上也比傳統(tǒng)現(xiàn)澆式混凝土建筑更加方便。同濟(jì)大學(xué)李英磊等[17]于2014年運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件模擬了多種情況下集裝箱的縱向剛度和極限承載力，并根據(jù)分析結(jié)果提出縱向抗剪剛度的計(jì)算擬合公式和相應(yīng)承載力設(shè)計(jì)值的建議。鄭州大學(xué)楊大雍[18]于2017年運(yùn)用有限元模擬和試驗(yàn)研究等手段相結(jié)合對(duì)拆裝式箱式房底框結(jié)構(gòu)的受力性能、拆裝式箱式房的豎向承載力及其抗側(cè)性能進(jìn)行了研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王化杰等[19]于2017年運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS和SAP2000對(duì)多種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了靜力分析和抗震分析，該研究成果也為類似集裝箱建筑的節(jié)點(diǎn)選用提供了技術(shù)參考。

4 裝配式模塊化箱型建筑應(yīng)用案例

1）臨時(shí)建筑 臨時(shí)建筑標(biāo)準(zhǔn)化是我國(guó)建筑工業(yè)化必不可少的部分，裝配式模塊化箱型房屋作為臨時(shí)安置房，具有綠色環(huán)保、連接可靠、經(jīng)濟(jì)適用、拆卸和移動(dòng)方便等特點(diǎn)，廣泛用于各種營(yíng)地、應(yīng)急救援等領(lǐng)域。圖8為中建集成房屋有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)安裝的甘肅白銀汽車營(yíng)地，采用拆裝式箱型建筑。圖9為中建集成房屋有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)安裝的深圳會(huì)展中心業(yè)主臨時(shí)指揮部，該項(xiàng)目采用拆裝式箱型建筑，整體造型美觀，多規(guī)格落地窗，簡(jiǎn)約而不單調(diào)，改變了人們對(duì)傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)板房臟亂差的印象，改善了施工現(xiàn)場(chǎng)一線員工辦公生活條件，提升了員工幸福指數(shù)。

2）公共建筑 裝配式模塊化箱型建筑同樣也能應(yīng)用于教育、辦公、文化旅游、消防等領(lǐng)域，圖10為中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)、中建集成房屋有限公司和中集模塊化建筑投資有限公司完成生產(chǎn)安裝的雄安市民服務(wù)中心-企業(yè)臨時(shí)辦公區(qū)項(xiàng)目。圖11為1967年在加拿大蒙特利爾建成的由354個(gè)鋼筋混凝土盒子構(gòu)件組合而成的名為“Hab ital’67”綜合體，充分發(fā)揮了“盒子”作為一種結(jié)構(gòu)形式和建筑造型手段的作用，創(chuàng)造了一種前所未有的形象。圖12為中建集成房屋有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)并安裝北京六里橋小型消防站，采用拆裝式箱型建筑，其中車庫(kù)部分由鋼框架與箱式房相結(jié)合而成。

3）公寓建筑 圖13為墨西哥萊昂集裝箱公寓大樓，這是由36只集裝箱組合而成的公寓大樓。公寓被稱為“冒險(xiǎn)”建筑，其原因在于項(xiàng)目的占地面積只有213m2。目前高層集裝箱式建筑在國(guó)內(nèi)外還是十分罕見(jiàn)，更多的高層集裝箱建筑其結(jié)構(gòu)形式多見(jiàn)于集裝箱與核心筒或鋼框架相結(jié)合的情況。圖14為位于著名的港口城市——荷蘭阿姆斯特丹的由MVRDV建筑設(shè)計(jì)室設(shè)計(jì)建造的SILODAM集裝箱公寓。

4）商業(yè)建筑 圖15為北京SANLITUN SOUTH（三里屯南區(qū)），該集裝箱建筑重塑了傳統(tǒng)北京胡同氛圍，通過(guò)當(dāng)代建筑為古老的市場(chǎng)注入活力。圖16為上海多利農(nóng)莊，由國(guó)際性建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所playze設(shè)計(jì)完成，將門(mén)廳、接待、辦公、VIP和食品包裝等功能整合在一起，建筑采用集裝箱建設(shè)，集裝箱的不規(guī)則布置模式可適應(yīng)各種需求并創(chuàng)造豐富空間，設(shè)計(jì)和建造過(guò)程植入的各項(xiàng)環(huán)保措施使項(xiàng)目成為1座真正的具有可持續(xù)性的集裝箱式建筑。

5）酒店建筑 圖17為格魯吉亞滑雪度假村酒店。酒店位于格魯吉亞境內(nèi)海拔高達(dá)2200m處的雪山上。整個(gè)酒店是1家完全由回收的集裝箱制成的精品酒店。呈金字塔形，所有房間均配有寬大的落地窗和外掛陽(yáng)臺(tái)。該環(huán)保酒店的設(shè)計(jì)旨在盡可能不破壞周圍的自然環(huán)境，階梯式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其懸挑部分由鋼結(jié)構(gòu)支撐，背靠雪山，讓每個(gè)房間可全天候欣賞高加索山脈的優(yōu)美景致。圖18為英國(guó)經(jīng)濟(jì)型連鎖酒店Travelodge，每個(gè)集裝箱都鑲嵌在建筑鋼框內(nèi)，互相鉚定并堆積至8層。這些集裝箱是在中國(guó)改造后運(yùn)到英國(guó)的。一旦建筑外覆面做完并加以裝飾，就與普通的Travelodge經(jīng)濟(jì)型酒店一樣。采用船只集裝箱修建酒店，每座酒店的建造成本降低10%，工期縮短25%，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省1000萬(wàn)英鎊。

圖8 甘肅白銀汽車營(yíng)地

圖9 深圳會(huì)展中心業(yè)主臨時(shí)指揮部

圖10 雄安市民服務(wù)中心-企業(yè)臨時(shí)辦公區(qū)

圖11 “Hab ital’67”綜合體

圖12 北京六里橋消防站

圖13 墨西哥萊昂公寓大樓

6）體育建筑 圖19為2022年卡塔爾世界杯RasAbu Abound Stadium球場(chǎng)，與之前常見(jiàn)體育場(chǎng)不同的是，球場(chǎng)結(jié)構(gòu)采用大型鋼架與集裝箱相結(jié)合的形式，是完全模塊化的結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件都可重復(fù)拆卸。球場(chǎng)由西班牙的FenwickIribarren建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)，之所以采用集裝箱設(shè)計(jì)，主要是考慮到球育場(chǎng)緊鄰海濱，方便就近取材。與傳統(tǒng)建造工藝相比，模塊化設(shè)計(jì)所需材料更少，能夠減少浪費(fèi)和排放，同時(shí)將建造時(shí)間縮短至3年。圖20為位于英國(guó)倫敦的Dunraven集裝箱體育館，建筑師綜合考慮施工速度、審美情趣、低造價(jià)和可持續(xù)性等因素，創(chuàng)造出一個(gè)令人驚奇的多功能集裝箱體育館。

圖14 荷蘭阿姆斯特丹SILODAM集裝箱公寓

圖15 北京 SANLITUN SOUTH（三里屯南區(qū)）

圖16 上海多利農(nóng)莊

圖17 格魯吉亞滑雪度假村酒店

圖18 英國(guó)經(jīng)濟(jì)型連鎖酒店Travelodge吊裝和現(xiàn)狀

圖19 2022年卡塔爾世界杯RasAbu Abound Stadium球場(chǎng)

圖20 倫敦Dunraven集裝箱體育館

5 結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑在我國(guó)尚處于起步階段，裝配式模塊化箱型建筑作為裝配式建筑中比較獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，其核心理念是標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制裝配式空間模塊，是以一個(gè)房間為基本單元的預(yù)制構(gòu)件，具有施工簡(jiǎn)便、連接可靠、綠色環(huán)保、成本較低、周轉(zhuǎn)方便、預(yù)制率和裝配率均較高等特點(diǎn)。在我國(guó)當(dāng)前大力推廣裝配式建筑及相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越完善的背景下，裝配式模塊化箱型建筑符合我國(guó)建筑業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向，發(fā)展前景會(huì)越來(lái)越廣闊。